3D-печать в здравоохранении: от хирургических инструментов к трансплантации органов

3D-печать по-прежнему остается относительно новым методом производства и уже значительно расширилась с точки зрения методов печати, материалов и возможностей дизайна, найдя нишевое применение в ряде областей, включая здравоохранение и науки о жизни.

3D-печать оказывает преобразующее влияние на методы проведения хирургии и стоматологии, а также на то, как проектируются протезы и имплантаты, позволяя создавать индивидуальные, персонализированные изделия, подходящие для пациента или конкретной задачи.

В этой статье будут рассмотрены широкие возможности применения 3D-печати в здравоохранении: от создания хирургических инструментов до трансплантации органов.

Краткая история технологии 3D-печати

3D-печать обычно относится к процессу аддитивного производства, то есть к процессу, в котором материал добавляется последовательными слоями или поэтапно, а не извлекается из сыпучего материала (субтрактивным способом) или непосредственно формуется, как в случае с такими материалами, как термореактивные пластмассы.

Одной из самых ранних форм 3D-печати была стереолитография, которую сейчас чаще называют печатью на смоле, при которой ультрафиолетовый лазер послойно наносит желаемый рисунок на фотополимерную смолу, затвердевая и превращая жидкость в твердую трехмерную структуру.

Исследования этой технологии продолжались на протяжении 1970-х годов, она была запатентована в 1984 году и широко используется для производства деталей, изготовленных на заказ. Тип используемой смолы можно адаптировать к конкретной цели: для обеспечения биосовместимости в случае биологических имплантатов или протезов, для прочности и жесткости, где это необходимо, и так далее.

Термин «3D-печать» на самом деле был введен в обиход только в 1995 году профессором Эли Саксом из Массачусетского технологического института, который работал над модификацией струйных принтеров для выдавливания связующего раствора на слой порошка, известной как 3D-печать с порошковым напылением (которых существует множество типов: селективное лазерное спекание, прямое лазерное спекание металла, электронно-лучевая плавка и т.д.).

Этот метод печати развился во многие из типов, возможно, более часто используемых сегодня, в которых используется рамка, способная перемещать экструзионную головку в трех измерениях над платформой, например, 3D-печать с моделированием наплавления (FDM).

В настоящее время существует почти два десятка методов 3D-печати, каждый из которых имеет множество модификаций, позволяющих изготавливать индивидуальные изделия из широкого спектра материалов с разной степенью простоты и доступности, качества и пригодности для медицинского применения.

Инновации в хирургических инструментах и оборудовании

3D-печать все чаще используется при создании хирургических приспособлений, включая проектирование и производство точных обучающих моделей, специализированных инструментов и каркасов, которые помогают при имплантации или восстановлении тканей.

Одним из основных преимуществ технологий 3D-печати является то, что в новые инструменты можно вносить итеративные изменения на основе быстрой обратной связи от хирургов и других медицинских работников; изменения в конструкции могут быть реализованы с помощью компьютерного моделирования, а новое устройство напечатано за одну ночь.

Возможность создания обучающих моделей для конкретных пациентов потенциально может стать революционной с точки зрения способа проведения операции, поскольку очень специфические детали внутренних органов пациента, выявленные с помощью различных технологий сканирования, могут быть воспроизведены в деталях.

Всё это оставляет меньше сюрпризов для хирургов во время операции и значительно помогает в подготовке к более сложным операциям.

Персонализированное протезирование и имплантаты

Некоторые из основных проблем, связанных с обычными протезами массового производства, связаны с заброшенностью: пациент перестает носить протезы, поскольку они неудобны или непривлекательны с эстетической точки зрения.

Бионические протезы, которые способны координировать движения за счёт мышечных сокращений, должны особенно тщательно располагаться и закрепляться, чтобы сохранить их функциональность и удобство использования.

Возможность индивидуального подбора размеров с использованием технологий 3D-печати позволяет изготавливать гораздо более удобные протезы из биосовместимых компонентов, потенциально с более сложной конструкцией и меньшей массой, чем традиционные протезы.

В 2014 году в больнице Джонса Хопкинса состоялась конференция под названием «Протезисты знакомятся с 3D-принтерами», на которой эксперты в области медицины и 3D-печати встретились, чтобы обсудить состояние и будущее 3D-печати протезов.

В настоящее время предпринимается широкий спектр совместных усилий с целью использования 3D-печати в протезировании. Например, протезные устройства можно бесплатно загрузить на ряде специализированных веб-сайтов и распечатать дома, и в то же время появилось множество компаний, занимающихся производством протезов для определенных рынков.

Например, «Open Bionics» — британская компания, которая печатает индивидуальные протезы для детей с изображением супергероев, со специальной фурнитурой для музыкантов и так далее.

Прорывы в области 3D-печати органов

С помощью аддитивного метода производства, такого как 3D-печать, можно использовать различные биоматериалы для производства имплантируемых каркасов, тканей и даже целых новых органов.

Биочернила, содержащие живые клетки, наносятся слой за слоем для печати органа, обычно с использованием каркаса и/или природных полимеров внутри биочернил, которые затвердевают и удерживают клетки на месте; обычно используются гидрогелевые полимеры, такие как фибрин, желатин, альгинаты, хитозан и гиалуроновая кислота. Органы, напечатанные на 3D-принтере, содержат клетки, выращенные у пациента, и поэтому они гораздо более биосовместимы, чем донорский орган.

Существует несколько видов 3D-печати органов, но эта технология все еще находится в зачаточном состоянии. Один из самых ранних и наиболее широко используемых методов известен как посев клеток, при котором опорный каркас печатается на 3D-принтере из биосовместимых материалов, а затем засеивается клетками, которые будут размножаться и заполнять структуру. Это потенциально может применяться в месте нахождения пациента, например, для заживления ран.

При 3D-печати нестандартных органов их можно изготовить так, чтобы они наилучшим образом подходили пациенту не только с точки зрения биосовместимости, но и с точки зрения формы и размера; например, подгоняя размер сердечных клапанов под размеры пациента.